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Elektrische Ladung ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft von Materie. Sie bestimmt, wie Teilchen und Körper elektrisch miteinander wechselwirken. Elektrische Ladung wird mit dem Formelzeichen Q oder q bezeichnet und in Coulomb (C) gemessen.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten elektrischer Ladung:

• positive Ladung (+)
• negative Ladung (−)

Dabei gilt ein einfaches Prinzip:

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

Materie besteht aus Atomen. Für elektrische Vorgänge sind insbesondere Protonen und Elektronen relevant:

Ein Proton besitzt die positive Elementarladung +e, ein Elektron die entsprechend negative Elementarladung −e.

Die Elementarladung beträgt:

e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C

Dieser Wert ist im Internationalen Einheitensystem exakt definiert.¹⁾

Ein elektrisch neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen wie Elektronen. Die positiven und negativen Ladungen gleichen sich dadurch aus.

Ein Körper ist negativ geladen, wenn er einen Überschuss an Elektronen besitzt.

Ein Körper ist positiv geladen, wenn ihm Elektronen fehlen.

In gewöhnlichen elektrischen Vorgängen werden dabei normalerweise nicht Protonen zwischen Körpern transportiert. Die Protonen befinden sich fest gebunden im Atomkern. Beweglich sind vor allem die Elektronen.

Ein einfaches Beispiel ist die statische Aufladung: Werden zwei unterschiedliche Materialien aneinander gerieben, können Elektronen von einem Material auf das andere übergehen. Ein Körper besitzt anschließend einen Elektronenüberschuss, der andere einen Elektronenmangel.

Die Ladung selbst wird dabei nicht erzeugt, sondern lediglich übertragen.

Eine der grundlegenden Eigenschaften elektrischer Ladung ist die Ladungserhaltung.

Elektrische Ladung kann nicht einfach entstehen oder verschwinden. Die Gesamtladung eines abgeschlossenen Systems bleibt konstant.

Ladung kann jedoch zwischen verschiedenen Körpern oder Bereichen eines Systems verschoben werden.²⁾

Für elektrische Schaltungen ist vor allem die Bewegung elektrischer Ladung relevant.

Bewegen sich elektrische Ladungsträger durch einen Leiter, entsteht ein elektrischer Strom.

Der Zusammenhang lautet vereinfacht:

Strom = transportierte Ladung / Zeit

I = Q / t

Dabei gilt:

1 Ampere bedeutet daher, dass pro Sekunde eine elektrische Ladung von 1 Coulomb einen betrachteten Querschnitt passiert:

1 A = 1 C / s

Ein Coulomb entspricht dabei ungefähr 6,24 × 10¹⁸ Elementarladungen.

Die Begriffe Ladung, Strom und Spannung beschreiben unterschiedliche Dinge:

Eine hilfreiche Analogie ist Wasser in einem Rohrsystem:

• Die Ladung entspricht der vorhandenen Wassermenge.
• Der Strom entspricht der Wassermenge, die pro Zeit durch ein Rohr fließt.
• Die Spannung entspricht vereinfacht einem Druck- bzw. Potentialunterschied, der den Fluss antreibt.

Die Analogie hilft beim Einstieg, bildet elektrische Vorgänge jedoch nicht in allen Details korrekt ab.

Elektrische Ladung bildet die physikalische Grundlage nahezu aller elektronischen Systeme. Sobald mit Mikrocontrollern, Sensoren, LEDs, Motoren oder anderen elektronischen Bauteilen gearbeitet wird, spielen die Bewegung und Verteilung elektrischer Ladungen eine zentrale Rolle.

Für Physical Computing sind daraus insbesondere drei Größen wichtig:

• Spannung
• Strom
• Widerstand

Das Verständnis elektrischer Ladung bildet die Grundlage, um diese Größen und ihr Zusammenspiel in elektronischen Schaltungen nachvollziehen zu können.

Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft von Materie. Es gibt positive und negative Ladungen. Protonen tragen positive, Elektronen negative Ladung. Werden Elektronen zwischen Körpern verschoben, entsteht eine elektrische Aufladung. Bewegen sich Ladungen kontinuierlich durch einen Leiter, sprechen wir von elektrischem Strom.

• OpenStax: Electrical Charges, Conservation of Charge, and Transfer of Charge
• OpenStax University Physics: Electric Charge
• NIST: CODATA Value: elementary charge

Die grundlegenden Aussagen zu positiver/negativer Ladung, Anziehung und Abstoßung sowie Ladungserhaltung entsprechen der Darstellung in OpenStax. :chatgpt-content-reference{index=“0”} Der verwendete Wert der Elementarladung von exakt \(1{,}602176634\times10^{-19}\,\mathrm C\) entspricht dem aktuellen NIST/CODATA-Wert. :chatgpt-content-reference{index=“1”}